CN109868157A - 一种双场耦合脱水装置及参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双场耦合脱水装置及参数优化方法，首先确定待优化参数；逐个对双场耦合脱水装置进行模拟；根据模拟结果确定各待优化参数的最佳取值范围；然后确定各待优化参数的优化参数组合；逐个对双场耦合脱水装置进行模拟；获取不同优化参数组合下双场耦合脱水装置的分离效率；根据分离效率确定最佳优化参数组合。本发明同时考虑单一参数对分离效率的影响以及各参数间的相互作用对分离效率的影响，结合双场耦合数值模拟结果，利用软件Desing‑Expert进行分析，可实现双场耦合脱水装置结构参数或操作参数的组合优化，能够为耦合脱水装置的参数匹配问题提供合理的解决方案，得到双场耦合脱水装置的最佳参数组合。

Description

一种双场耦合脱水装置及参数优化方法

技术领域

本发明涉及废油处理技术领域，特别涉及一种双场耦合脱水装置及参数优化方法。

背景技术

润滑油在运输、储存以及长期的使用过程中，由于种种因素会被水污染，引发油质衰变，形成废润滑油。

目前，对废润滑油处理的主要方法有直接排放、直接燃烧、再生利用等。其中，能够再生利用的废润滑油约占消费总量的40％，这对于缓解能源紧张、资源节约以及环境保护方面具有非常重大的意义。在众多的再生工艺中，乳化液的破乳脱水处理是非常重要的环节。对于含水量较高、成分复杂的废油乳化液，各种单一的方法在处理成本、耗能及耗时等方面均存在局限，将两种及以上的方法进行合理的耦合或集成实现对乳化液高效地破乳脱水处理是未来发展的趋势。

一般来说，改变单一参数或类型进行实验或数值模拟，根据研究实验或数值计算结果得到最佳参数。然而，装置的各种参数间存在着非线性关系，一般的优化方法得到的结果难以满足要求，同时对多个参数进行组合优化才能得到更合理的最佳参数。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双场耦合脱水装置及参数优化方法，该装置为集成高压电场和旋流离心场的耦合破乳脱水装置，实现废油乳化液的高效快速处理。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的双场耦合脱水装置，包括溢流管、入口、直管段、大锥段、小锥段和底流管；

所述直管段上设置溢流管和入口，所述入口设置于直管段外壁上，所述入口与直管段的管壁相切设置，以适于液流按照一定的速度进入直管段，能在沿直管段内壁旋转流动；所述溢流管沿直管段的轴向设置；所述溢流管位于直管段内部的外壁与直管段内壁之间设置为高压电场；所述直管段的另一侧与大锥段连接，所述大椎段另一侧与小锥段连接，所述小锥段的另一侧与底流管连接。

进一步，所述溢流管外壁设置有高压电源的正极，所述直管段内壁设置有高压电源的负极，以适于在溢流管外壁和直管段内壁之间区域内形成高压电场。

进一步，所述直管段上至少对称旋转设置两个入口。

进一步，所述直管段、大锥段、小锥段、底流管相互之间采用焊接方式相连接为一个整体，所述溢流管和直管段之间采用螺栓连接。

进一步，所述大锥段和所述小锥段连接处的公称直径D为20mm～22mm；所述大锥段的大锥角β为20°～22°；所述小锥段的小锥角α为5°～6°。

本发明还提供了一种双场耦合脱水装置参数优化方法，包括以下步骤：

确定待优化参数；

按照待优化参数逐个对双场耦合脱水装置进行模拟；

根据模拟结果确定各待优化参数的最佳取值范围；

确定各待优化参数的优化参数组合；

按照优化参数组合逐个对双场耦合脱水装置进行模拟；

获取不同优化参数组合下双场耦合脱水装置的分离效率；

根据分离效率确定最佳优化参数组合。

进一步，所述最佳优化参数组合是按照以下步骤来实现的：

建立各优化参数组合与分离效率之间的函数关系；

通过函数关系对优化参数组合模型进行显著性分析；

根据显著性分析结果判断优化参数组合是否满足要求，如果否，则返回上一步进行显著性分析；

如果是，则确定优化参数组合；

分析各优化参数组合之间的相互作用对分离效率的影响；

确定最佳优化参数组合。

进一步，所述双场耦合脱水装置的待优化参数包括公称直径D、大锥角β和小锥角α。

进一步，所述大锥段和所述小锥段连接处的公称直径D为20mm～22mm；所述大锥段的大锥角β为20°～22°；所述小锥段的小锥角α为5°～6°。

进一步，所述各优化参数组合与分离效率之间的函数关系按照以下公式建立多元二次回归模型并进行计算：

式中，x₁、x₂和x₃分别对应α、β和D；E_dw为脱水率，％；E_do为脱油率，％；

以装置的脱水率和脱油率同时达到最大值为最优条件；

得到最佳优化参数组合。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种双场耦合脱水装置，通过分析装置参数的设置与装置分离效率的关系，找到装置参数进行优化的方法，该方法同时考虑单一参数对分离效率的影响以及各参数间的相互作用对分离效率的影响，结合双场耦合数值模拟结果，利用软件Desing-Expert进行分析，得到双场耦合脱水装置的最佳参数组合。

本发明可实现双场耦合脱水装置结构参数或操作参数的组合优化，能够为耦合脱水装置的参数匹配问题提供合理的解决方案，同时为后续耦合装置的优化设计、操作参数的匹配提供参考或指导。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为双场耦合装置结构模型示意图。

图2为双场耦合脱水装置参数优化方法流程图。

图3为不同小锥角条件下耦合脱水装置的分离效率示意图。

图4为不同大锥角条件下耦合脱水装置的分离效率示意图。

图5为不同公称直径条件下耦合脱水装置的分离效率示意图。

图6为大锥角与小锥角间的交互作用对脱水率的影响。

图7为小锥角与公称直径间的交互作用对脱油率的影响。

图中：1为溢流管、2为入口、3为直管段、4为大锥段、5为小锥段、6为底流管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的双场耦合脱水装置，包括溢流管、入口、直管段、大锥段、小锥段和底流管；

所述直管段上设置溢流管和入口，所述入口设置于直管段外壁上，所述入口与直管段的管壁相切设置，以适于液流按照一定的速度进入直管段，能在沿直管段内壁旋转流动；所述溢流管沿直管段的轴向设置；所述溢流管位于直管段内部的外壁与直管段内壁之间设置为高压电场；所述直管段的另一侧与大锥段连接，所述大椎段另一侧与小锥段连接，所述小锥段的另一侧与底流管连接。

所述溢流管外壁设置有高压电源的正极，所述直管段内壁设置有高压电源的负极，以适于在溢流管外壁和直管段内壁之间区域内形成高压电场。

所述直管段上至少对称旋转设置两个入口。

所述直管段、大锥段、小锥段、底流管之间采用焊接方式相连接为一个整体，所述溢流管和直管段之间采用螺栓连接。

所述大锥段和所述小锥段连接处的公称直径D为20mm～22mm；所述大锥段的大锥角β为20°～22°；所述小锥段的小锥角α为5°～6°。

本实施例提供的双场耦合脱水装置通过利用具有一定速度的液流进入直管段，流液就沿直管段内壁旋转流动，从而形成旋液，该装置可以倾斜一定角度放置。

实施例2

如图2所示，本实施例提供的双场耦合脱水装置参数优化方法，本实施例采用的同时考虑单一参数对分离效率的影响以及各参数间的相互作用对分离效率的影响，结合双场耦合数值模拟结果，利用软件Desing-Expert进行分析，得到双场耦合脱水装置的最佳参数组合，具体步骤如下：

确定待优化参数；

按照待优化参数逐个对双场耦合脱水装置进行模拟；对某一个种设置条件下的装置进行模拟；

根据模拟结果确定各待优化参数的最佳取值范围；通过研究单个参数的变化对耦合脱水装置分离效率的影响确定各参数的最佳取值范围；

确定各待优化参数的优化参数组合；根据参数及其取值范围确定不同的参数组合；

按照优化参数组合逐个对双场耦合脱水装置进行模拟；以不同的参数组合为双场耦合数值模拟计算的设置条件，通过仿真计算得到装置的分离效率；

获取不同优化参数组合下双场耦合脱水装置的分离效率；

建立各优化参数组合与分离效率之间的函数关系；在此基础上，以待优化参数为输入因子、分离效率为输出因子，使用件Desing-Expert建立输入因子与输出因子间的函数关系；

通过函数关系对优化参数组合模型进行显著性分析；

确定参数优化模型，分析各参数间的相互作用对分离效率的影响，根据该模型得到最佳的操作参数组合；

根据显著性分析结果判断优化参数组合是否满足要求，如果否，则返回上一步进行显著性分析；

如果是，则确定优化参数组合；

分析各优化参数组合之间的相互作用对分离效率的影响；

确定最佳优化参数组合。

实施例3

本实施例以双场耦合装置的锥段结构优化为例说明使用方法

本实施例以废油乳化液为背景，双场耦合脱水装置为优化对象，通过单因素影响分析得到各参数的优化范围，并利用Design-Expert软件对各个输入因子进行参数组合设计，结合双场耦合数值模拟计算得到各组合下的输出因子，进而得出参数优化模型，根据该模型得到双场耦合脱水装置的最佳操作参数组合。

如图1所示，图1为双场耦合脱水装置结构模型，该模型主要包括直管段、大锥段、小锥段和底流管。在直管段包括一个溢流管和两个圆柱形入口，且两个圆柱形入口与直管段相切。溢流管的柱形外壁为电源的正极，直管段的柱形内壁为高压电源的负极，在两柱形壁面之间区域内形成高压电场。乳化液经入口进入到该区域内，液流通过相切的入口进去就出现旋转流动了，乳化液中的分散相液滴在高压电场作用下发生快速聚结使其粒径变大，然后在旋流作用下快速地分离。建立以底流口中心点为原点的笛卡尔坐标系，z轴沿中轴线并指向溢流口。耦合脱水装置的主要结构参数主要包括公称直径D、直管段直径D_S、溢流口直径D_O、入口直径D_i、溢流管伸入长度L_o、底流管长度L_u、底流口直径D_u、大锥角β和小锥角α。在本研究中，D_S、D_O、D_i、L_o、L_u、D_u的值分别为70mm、18mm、12mm、45mm、400mm和10mm，且均保持不变。

参数的最佳取值范围的确定：以公称直径D、大锥角β和小锥角α为待优化参数，采用商用CFD软件ANSYS Fluent(ANSYS 15.0)对不同结构参数下的耦合装置数值模型进行计算。

小锥角：设耦合脱水装置的大锥角和公称直径分别为20°和26mm，小锥角为2、3、4、5°和6°。分离效率根据下式计算：

式中，当计算溢流口脱水率时，为溢流口含水体积分数，为入口含水体积分数；当计算底流口脱油率时，为底流口含油体积分数，为入口含油体积分数。

不同小锥角条件下装置的分离效率曲线分布如图3所示，图3为不同小锥角条件下耦合脱水装置的分离效率。由图3可以看出，装置溢流口脱水率呈先减小后增大，再减小的趋势。尽管小锥角由5°增大到6°时脱水率在降低，但仍比其他三种条件下的脱水率更高。因此，小锥角在5°～6°内装置具有较好的脱水率。耦合脱水装置底流口脱油率的变化趋势相同，且均与溢流口脱水率的变化趋势相同，即在小锥角为5°和6°范围内具有更大的脱油率。综上，耦合脱水装置的小锥角优化范围均为5°～6°。

大锥角：设耦合脱水装置的小锥角和公称直径固定不变，且分别为3°和26mm；电压幅值分别为0和11kV，大锥角为16、18、20、22°和24°。耦合脱水装置的分离效率如图4所示，图4为不同大锥角条件下耦合脱水装置的分离效率。由图4可知，20°～22°的锥角范围内，装置溢流口脱水率明显高于其他大锥角下的脱水率。从图4也可以清楚的看出，耦合装置底流口的脱油率变化趋势与溢流口的脱水率基本相同。因此，大锥角的最佳取值范围均为20°～22°。

公称直径：设大小锥段的角度分别为3°和20°，且均固定不变；电压幅值分别为0kV和11kV；公称直径分别为20、22、24、26mm和28mm。不同公称直径条件下的分离效率如图5所示，图5为不同公称直径条件下耦合脱水装置的分离效率。从图5可以看出，在20mm～22mm的公称直径范围内具有较高的溢流口脱水率。底流口脱油率在20mm～22mm的直径范围内基本相同，且均大于公称直径为22mm～28mm时脱油率。综上，公称直径的最佳取值范围均为20mm～22mm。

参数组合设计及分离效率计算

根据单因素影响分析结果可知，大锥角、小锥角和公称直径的最佳取值范围分别为：20°～22°、5°～6°和20mm～22mm。以装置溢流口脱水率和底流口脱油率为输出值，大锥角、小锥角和公称直径为输入因子。利用Design-Expert软件对各个输入因子进行参数组合设计，同时利用数值方法得出各试验条件下的输出值。其最终结果如表1所示。

表1为参数组合设计及仿真计算结果

参数优化模型

采用Design-Expert 8.0软件对表1中的数据进行分析，建立多元二次回归模型如下：

式中，x₁、x₂和x₃分别对应α、β和D；E_dw为脱水率，％；E_do为脱油率，％。

二次回归模型的方差分析如表2和表3所示。从表中可以看出，模型的F-value分别为11.74和4.61，与其对应的p-value分别为0.19％和2.81％，均小于5％，且两模型的复相关系数值R²分别为0.9379和0.8557，表明模型均具有较高的显著性。

表2脱水率优化模型方差分析

表3脱油率优化模型方差分析

表中，Source表示方差来源；SS表示离差平方和；DF表示自由度；MS表示均方；F-value表示F检验统计值的F值；p-value表示F检验统计值的P值；Model表示模型；A-α表示小锥角度α用变量A表示；B-β表示大锥角β用变量B表示；C-D表示公称直径D用变量C表示；AB表示变量AB的乘积；AC表示变量AC的乘积；BC表示变量BC的乘积；A²表示变量AA的乘积；B²表示变量BB的乘积；C²表示变量CC的乘积；Residual表示残差；Lack of Fit表示失拟项；PureError表示误差；Cor Total表示总回归；R²表示相关系数值；Coded表示编码；Dewateringrate表示脱水率；Deoiling rate表示脱油率。

为进一步研究各因素间的交互作用对分离效率的影响，需要对二次回归模型进行分析，得到的响应等高线图，如图6和图7所示。图6为大锥角与小锥角间的交互作用对脱水率的影响，从图6中可以看出，同时减少小锥角α和大锥角β可较小程度地提高装置溢流口脱水率。且当小锥角为5°时，大锥角从22°减小到20°，脱水率从95.03％增大到96.24％。图7为小锥角与公称直径间的交互作用对脱油率的影响；图7中，同时增大公称直径D和减少小锥角α可以明显地提高底流口脱油率。且当小锥角为5°时，公称直径D从20mm增大到22mm，脱油率从90.69％增大到94.16％。

最佳操作参数组合：以装置的脱水率和脱油率同时达到最大值为最优条件，通过对模型进行求解分析得到优化结果。结果表明，小锥角、大锥角和公称直径的最佳取值分别为5.09°、20°和22mm，且在该条件下耦合装置的脱水率和脱油率的数值计算值分别为96.46％和97.05％。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种双场耦合脱水装置，其特征在于：包括溢流管、入口、直管段、大锥段、小锥段和底流管；

所述直管段上设置溢流管和入口，所述入口设置于直管段外壁上，所述入口与直管段的管壁相切设置，以适于液流按照一定的速度进入直管段，能在沿直管段内壁旋转流动；所述溢流管沿直管段的轴向设置；所述溢流管位于直管段内部的外壁与直管段内壁之间设置为高压电场；所述直管段的另一侧与大锥段连接，所述大椎段另一侧与小锥段连接，所述小锥段的另一侧与底流管连接。

2.如权利要求1所述的双场耦合脱水装置，其特征在于：所述溢流管外壁设置有高压电源的正极，所述直管段内壁设置有高压电源的负极，以适于在溢流管外壁和直管段内壁之间区域内形成高压电场。

3.如权利要求1所述的双场耦合脱水装置，其特征在于：所述直管段上至少对称旋转设置两个入口。

4.如权利要求1所述的双场耦合脱水装置，其特征在于：所述直管段、大锥段、小锥段、底流管相互之间采用焊接方式相连接为一个整体，所述溢流管和直管段之间采用螺栓连接。

5.如权利要求1所述的双场耦合脱水装置，其特征在于：所述大锥段和所述小锥段连接处的公称直径D为20mm～22mm；所述大锥段的大锥角β为20°～22°；所述小锥段的小锥角α为5°～6°。

6.一种双场耦合脱水装置参数优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

确定待优化参数；

按照待优化参数逐个对双场耦合脱水装置进行模拟；

根据模拟结果确定各待优化参数的最佳取值范围；

确定各待优化参数的优化参数组合；

按照优化参数组合逐个对双场耦合脱水装置进行模拟；

获取不同优化参数组合下双场耦合脱水装置的分离效率；

根据分离效率确定最佳优化参数组合。

7.如权利要求6所述的双场耦合脱水装置参数优化方法，其特征在于：所述最佳优化参数组合是按照以下步骤来实现的：

建立各优化参数组合与分离效率之间的函数关系；

通过函数关系对优化参数组合模型进行显著性分析；

根据显著性分析结果判断优化参数组合是否满足要求，如果否，则返回上一步进行显著性分析；

如果是，则确定优化参数组合；

分析各优化参数组合之间的相互作用对分离效率的影响；

确定最佳优化参数组合。

8.如权利要求6所述的双场耦合脱水装置参数优化方法，其特征在于：所述双场耦合脱水装置的待优化参数包括公称直径D、大锥角β和小锥角α。

9.如权利要求6所述的双场耦合脱水装置参数优化方法，其特征在于：所述大锥段和所述小锥段连接处的公称直径D为20mm～22mm；所述大锥段的大锥角β为20°～22°；所述小锥段的小锥角α为5°～6°。

10.如权利要求6所述的双场耦合脱水装置参数优化方法，其特征在于：所述各优化参数组合与分离效率之间的函数关系按照以下公式建立多元二次回归模型并进行计算：

式中，x₁、x₂和x₃分别对应α、β和D；E_dw为脱水率，％；E_do为脱油率，％；

以装置的脱水率和脱油率同时达到最大值为最优条件；

得到最佳优化参数组合。